植物种子萌发的生物力学

周 峰，王海鸥，华 春，吴雨龙，汪振炯

(1.南京晓庄学院食品科学学院，江苏 南京 211171;2.江苏省高校特殊生物质废弃物资源化利用重点建设实验室，江苏 南京 211171)

植物生物力学是一个多学科领域。植物细胞的机械特性主要是来自细胞壁、细胞、组织和器官的特性，而且很大程度上依赖水分含量。植物的生活史有几个阶段是基于生物力学，比如种子萌发、受精作用、花粉管形成等。种子萌发始于静态的吸胀作用，然后种子胚轴伸长，最终被覆物破裂胚根出现完成种子萌发。从生物力学角度看，种子萌发的完成依赖于2个相反作用力的平衡，即胚轴(胚根-下胚轴生长区)的生长潜力，即胚生长产生由内向外“顶”的力；种子被覆物包括胚乳、种皮或果皮的阻力[1]。由于细胞壁组成和吸水能力不同，种子各组织的动力学特性也不一样。种子萌发过程中胚细胞生长的动力学主要是种子吸收水分后，膨压减小，细胞壁组织发生不可逆的松弛。这导致胚伸长和胚根形成。被子植物中，胚根出现前胚乳弱化(endosperm weakening)是一个普遍现象。生物化学和生物力学研究表明，胚乳弱化可减少珠孔的穿透阻力，这受环境和激素调控，包括一些组织特异性细胞壁重塑蛋白质的表达，如扩展蛋白、水解酶和直接作用的质外体活性氧(apoplastic reactive oxygen species, aROS)。胚乳弱化的生物力学及生物化学研究发现珠孔端胚乳(micropylar endosperm, ME)和合点端胚乳(chalazal endosperm, CE)区是不同的。在ME处，主要通过细胞壁松弛、细胞分离和细胞程序性死亡(programmed cell death, PCD)使得ME局部组织抗性减弱、自溶，最终形成ME以利于胚根出现[1]。关于种子萌发的分子调控、代谢变化和激素信号互作已有报道[2]，本文将种子作为生物材料，通过生物力学从机械角度阐述种子萌发机制。

1 生物学材料特性

生物材料通常是复合材料，主要是由聚合物纤维嵌入到蛋白质基质中形成的。大多数生物材料展现出的机械特性远超用合成材料加工的。植物细胞壁是由纤维素、半纤维素、果胶、木质素和蛋白质构成的。这种刚性结构和原生质体的渗透特性是细胞、组织和器官机械特性的基础。生物材料的机械特性不仅由组成成分的材料性质决定，结构的特殊排列也会影响机械特性。比如很多生物材料由于纤维的数量、排列和取向不同其机械特性也不同。生物材料特殊的机械性能在于它们从分子到宏观的不同水平和层次组织，所以与钢材相比木材具有高性能的特殊强度。这种特殊性能至少由5种结构水平上的排列决定：积分(几何生物轴)、超微结构(细胞壁结构)、微观(细胞结构)、宏观(组织结构)和生化组成(细胞壁组分)[3]。

材料对外载荷一般表现为3种类型：弹性行为(elastic behaviour)：可恢复变形；塑性行为(plastic behaviour)：不可恢复的变形；粘弹性行为(viscoelastic behaviour)：随时间变化而变形。生物材料结构复杂，对外载荷的响应表现出更为复杂的力学行为。大多数生物材料一般都表现出粘弹性行为，因为它们确实有粘性成分，并且表现出随时间变化的行为。粘弹性材料的另一个特征是蠕变(creep)。蠕变是当应力作用时间延长发生的缓慢塑性变形，但大多数生物材料都是在正常负载条件下弹性范围内起作用。此外生物材料具有各向异性(anisotropic)，这意味着不同加载方向生物材料的机械性能会不同。结合生物学家和材料学家的观点，结构和力学研究将为了解植物等生物材料提供新方法。已有报道把这种方法应用到了种子劣变机制研究[3]。

2 种子萌发的生物物理学

大多数被子植物的成熟种子二倍体胚被一层或多层种子被覆物包裹着。这些被覆物一般是由生活的三倍体胚乳和已经死亡的二倍体种子组成，它们对种子萌发具有重要调控作用。食品科学中主要研究种子的断裂韧性、冲击损伤、拉伸和压缩，在豌豆、橄榄、核桃、向日葵、孜然和小麦的种子或果实已测得这些参数。这些研究结果确定了水分含量对机械性能的影响。总体趋势是水分含量的增加降低了种子的断裂韧性，而调控种子萌发的主要因素是种皮、胚乳弱化和胚生长潜力。番木瓜(Caricapapaya)种子的种皮开裂是其发芽过程中的第一个标志，然后就是胚乳破裂。去除种皮能打破种子休眠，而热休克发芽刺激处理和脱落酸(abscisic acid, ABA)发芽抑制处理没有改变种皮力学[4]。

种子的最外层被覆物大多数是由已经死亡的组织(种皮、果皮)构成，它们可与外界环境相互联系，保护胚抵抗外界不利环境因素。它们的一个机械作用就是通过种皮限制休眠(coat-imposed seed dormancy)调控种子萌发时间。很多植物在死亡的组织(种皮、果皮)和胚之间有一层或多或少的生活胚乳组织。胚乳、种皮除了提供机械屏障外，它们还具有调控或抑制水分吸收，阻止胚生长的抑制剂(如ABA)的去除，阻止气体交换以在胚内引起氧缺乏。例如家独行菜(Lepidiumsativum)种子在种皮和胚乳破裂前，种皮和胚乳能阻止产生乙烯所需的氧气吸收[5]。非休眠(nondormant,ND)种子和果实以及生理型(physiological,PD)、形态型(morphological,MD)、生理形态型休眠(morphophysiological,MPD)中，被覆物可调控吸胀吸水的速率和水分空间分布。只有在物理型休眠(physically dormant,PY)类型中，被覆物才能阻止吸胀作用，阻止水分吸收是PY型种子的标志。很多豆科植物种皮密不透水是由于它们的种皮有木质化的次生细胞壁形成的一层或多层栅栏组织。种子的栅栏组织内充满了防水物质包括木质素、木栓质、醌类和酚类等[6]。

蒺藜苜蓿(Medicagotruncatula)种子的KNOX4(KNOTTED-like homeobox)基因和大豆种子的GmHs1-1基因编码一种钙调神经磷酸酶蛋白能够调控种子不透水性、坚实程度和物理型休眠[7]。PY型种子如裂叶牵牛(Ipomoeahederaceae)和白星薯(Ipomoealacunosa)在珠孔等天然开口的区域能形成特殊的水孔器(water-gap)结构[6]，阻止水分进入。在适宜的环境条件下，水孔器打开，形成水通道让水分进入，这时物理型休眠被解除，种子萌发[8]。裂叶牵牛在湿热条件下萌发，而白星薯是在干热条件下萌发，两者种子通过种脐上端的裂隙吸收水蒸气，种脐垫(hilar pad)能够吸收水分并且在吸水后膨胀，使原有的种脐间隙闭合。而高温情况下水蒸气气压上升，最终使种皮开裂、休眠解除[6]。而在野老鹳草(Geraniumcarolinianum)种子中，受低温影响会在栅栏层和亚栅栏层产生不同的机械拉力，其中比较弱的一部分栅栏层组织会产生强烈收缩形成微裂纹。水分通过这些微裂纹进入后，由于栅栏层膨胀和拉力作用会导致栅栏层分离。这反过来又会形成水疱(blister)激活珠孔周围预先形成的阀瓣(hinged valve)，阀瓣的去除最终导致覆盖在水孔器边缘的栅栏层被撕裂[8]。

3 胚生长的生物力学

植物细胞有刚性的细胞壁，加上水分进入液泡形成的膨压，给植物提供了稳定内环境。而植物生长需要按照一定的模式。植物的初生细胞壁基本上可以认为是一种非线性粘弹性材料，可塑性扩张。细胞不可逆增大是通过细胞壁膨压释放促进水分吸收完成的。当细胞壁松动时，细胞壁中的聚合物发生蠕变，水分进入液泡细胞膨胀生长。渗透吸水最终导致肿胀状态，激活代谢，胚轴细胞扩大生长。这种生长与核内复制有关，在胚根出现之前胚的萌发只需要细胞生长而不需要细胞分裂。为了完成萌发，胚胎的生长潜力必须增加并超过阻碍。其机制是胚细胞壁的扩展性需增加塑性而不是弹性伸长，并同时减小被覆物的阻碍[9]。种子萌发过程中珠孔端胚乳细胞壁也会发生类似的生化变化，这说明胚乳弱化是种子萌发过程中胚乳破裂所必需的。此外细胞彼此分离和局部PCD也是细胞弱化的一些其它特征[10]。

4 胚乳弱化的生物力学

关于胚和胚乳的形态学结构和特征以及胚乳弱化已有很多报道。本文重点讨论与种子萌发有关的生物力学，即通过穿透力分析证明的胚乳弱化作用。成熟种子有一个进化趋势就是胚乳丰富度从高到低。小胚和丰富的生活胚乳组织是进化祖先类型，而且与MPD和MD类型有关。这种类型的种子在被子植物中含量最为丰富，但通过穿透力实验研究，没有直接证据表明胚乳弱化作用存在于MPD和MD类型中。PD 和ND类型可能起源于丰富胚乳的MPD和MD类型，穿透力实验证明在PD 和ND类型中存在胚乳弱化作用[11]。

胚乳弱化的直接证据来自穿透力测定，是通过金属探针直接测定珠孔端胚乳穿透力量。这种方法最早就是在真双子叶植物群菊类(Asterid Clade)中应用的，如番茄(Solanumlycopersicum)、巴西狼果(Solanumlycocarpum)等[12]。这些物种的胚乳弱化分为2个阶段，第1个阶段不受ABA影响，第2个阶段对ABA敏感。赤霉素(gibberellic acid,GA )则通过弱化珠孔端胚乳的机械障碍而促进萌发。为了了解番茄胚乳弱化的生物力学机制，对ME和CE进行了穿透力分析比较。研究发现成熟番茄种子的胚乳具有极性，ME和CE的功能不同。CE弱化不像ME那样强烈，CE可作为胚的锚定位点支持胚朝珠孔端延伸。ME的弱化至少部分通过细胞壁的生化变化，吸收水分使之进入胚轴生长区的细胞。并使得胚根朝着弱化的ME区突出，所以ME弱化是调控番茄种子萌发的关键生物力学和生物化学调控步骤[13]。电镜研究结果也证明，ME细胞贮藏物质的降解先于胚根突出。

目前通过对菊类各种胚乳进行穿透力分析研究发现，胚乳弱化导致ME区的抗性减弱，而胚乳弱化还受到细胞壁修饰水解酶、扩展蛋白、aROS的直接作用等因素，pH依赖的细胞壁过氧化物酶、草酸氧化酶和胺氧化酶可以在质外体中产生活性氧aROS。细胞壁修饰，特别是在胚乳细胞壁中观察到的物理和微观变化，在调控胚乳弱化中起重要作用。胚乳弱化与细胞壁水解有关，和胚乳弱化的有关细胞壁酶主要有纤维素酶、果胶甲酯酶、多聚半乳糖醛酸酶等。扩展蛋白是不具有水解等酶促活性，但可打断纤维素和半纤维素之间的非共价键(如氢键)从而使细胞壁松弛的一类细胞壁蛋白[14]。aROS可攻击细胞壁导致其松弛，因而可能与胚乳弱化也存在相关性[15]。

谷粒中高度分化的胚及其盾片直接邻接富含淀粉的已死亡较大胚乳，而这层胚乳外面包被着生活胚乳组织糊粉层和已经死亡的麸皮层。谷粒吸胀过程的活体核磁共振成像研究表明，小麦吸水的早期阶段其水分吸收有多条途径包括珠孔开放、胚及其盾片和麸皮层都能快速吸水。谷粒的糊粉层是一层生活组织，但在种子萌发和幼苗出苗过程中会发生PCD。近期通过穿透力研究发现，对分离的糊粉层进行GA处理，能促进生活胚乳组织的弱化，但对中间层(外种皮和内果皮)不起作用[16]。

5 种子的机械传感

植物生活史中感受机械力量信号是调控基因表达、组织生长和细胞命运的重要组成部分。研究表明在拟南芥种皮中有一层机械敏感层能够感受来自胚和胚乳施加的机械力量。最近利用纳米压痕法(nano-indentation)测定拟南芥胚乳发育的硬度[4]。ZOU基因，它是一个由胚乳调节胚胎发育的基因，在胚胎发育至心形期时在胚乳中开始表达，通过特异表达可促进胚乳细胞凋亡而协调胚和胚乳发育的转录调控因子。与野生型相比，zou突变体有更坚实的胚乳组织，胚乳不降解。这层坚实的覆盖物会阻碍胚扩张抑制其生长，其成熟胚胎比野生型明显的小，最终产生小而皱缩的种子[17]。这些机械敏感组织与触摸基因(touch gene)假说有关，假说认为胚根延伸的推动力诱导了ME基因表达，触摸基因主要编码细胞壁重塑蛋白如扩展蛋白。然而目前研究仍然缺乏触摸基因诱导种子在机械感受和信号传导方面的直接证据[18]。

总之，种子萌发的生物力学研究具有重要的理论和实践意义，调控种子萌发的生物力学因素主要包括种皮、胚乳弱化和胚生长潜力等。这些因素决定了种子萌发的整齐度和速度，也是提高作物产量的关键，对于农业生产和种子产业的发展具有重要意义。未来将进一步揭示胚乳弱化的萌发调控分子机制、环境调控及不同细胞壁变化的生物力学进化方式，同时对天然种皮生物力学的研究也可延伸到人工种皮中及其材料的力学特性研究中[19]。